1金属材料的性能主讲人:马斌汽车工程系2金属材料的性能↙↘使用性能:(▲力学性能、物理性能、化学性能等)工艺性能:(铸造性能、锻压性能、热处理性能、切削加工性能等)↓↓使用范围、使用寿命工艺质量3金属的力学性能是指金属在外力作用下,抵抗变形与断裂的能力及发生变形的能力。这种能力的大小、强弱用力学性能指标来衡量和比较。常用力学性能指标:强度、塑性、硬度、韧性及疲劳极限等。模块一金属的力学性能4【知识点】1.理解常用力学性能指标的含义:强度、硬度、塑性、韧性及疲劳极限等。2.了解常用物理性能和化学性能对材料的应用范围、产品质量及工艺性能的影响。1、掌握硬度的测试方法及其应用;2、了解强度、塑性、冲击韧度及疲劳极限等力学性能指标的测试方法及其应用;3、能根据机件的工作条件,分析对其制造材料力学性能的要求。【技能点】5课题1强度与塑性61、载荷:金属材料在使用和加工过程中所受到的各种外力统称为载荷,符号F,可分为:静载荷:大小和方向不变,或变化很慢冲击载荷:短时间内作用于材料变动载荷:大小甚至方向随时间变化一、载荷、变形与应力【任务提出】:钢丝绳的选择【任务分析】:钢丝绳能承受的载荷取决于什么?72、变形:金属受到载荷作用而产生的形状和尺寸的变化。弹性变形:载荷存在而产生,载荷去除而消失塑性变形:载荷去除后,仍不能恢复3、应力:单位面积上的内力称为^应力能够准确反映材料内部的受力状态,强度指标都是用应力表示的。8二、金属室温静拉伸实验1.拉伸试样为使实验结果具有可比性,拉伸试样的形状、尺寸、取样和制样都应符合相应的标准。2、拉伸曲线外力F与试样绝对伸长量之间的关系曲线称为力-伸长曲线9o-p-ee-s-s′s′-bb-kk弹性变形—屈服—均匀塑性变形—缩颈—断裂低碳钢的拉伸曲线10低碳钢应力——应变曲线bbk-----缩颈阶段sb-----均匀变形阶段es-----屈服阶段oe-----弹性阶段11屈服强度屈服:金属材料试样承受的外力超过材料的弹性极限时,虽然应力不再增加,但试样仍发生明显的塑性变形,这种现象称为屈服。材料承受外力到一定程度时,其变形不再与外力成正比而产生的明显塑性变形,产生屈服时的应力称为屈服极限。材料受外力到一定限度时,即使不增加负荷它仍继续发生明显的塑性变形。1213拉伸曲线的物理意义:描绘出了材料的变形特征及各阶段受力与变形间的关系,可以从拉伸曲线的形状来判断材料弹性与塑性的好坏,断裂时的韧性及脆性程度及不同变形下的承载能力。不同材料有不同类型的拉伸曲线,同一材料在不同条件下的力拉伸曲线也不相同。14将力-伸长曲线的横、纵坐标分别用拉伸试样的原始标距和原始横截面积去除,就得到应力-应变曲线。在应力-应变曲线上,可以确定几个主要的力学性能指标。3、应力-应变曲线15思考题1、__变形不能随载荷的去除而消失。2、用拉伸试验可测定材料的()性能指标。A、强度B、硬度C、韧性3、低碳钢的拉伸过程可分为哪几个阶段?16思考题1、塑性变形不能随载荷的去除而消失。2、用拉伸试验可测定材料的(A)性能指标。A、强度B、硬度C、韧性3、低碳钢的拉伸过程可分为:弹性变形、屈服、均匀塑性变形、缩颈和断裂5个阶段。17三、金属的弹性变形1.弹性模量表示材料对弹性变形的抵抗能力,符号EE=σ/ε在应力-应变曲线上,E就是直线(op段)的斜率。E越大,材料发生弹性变形的难度就越大。刚度:机件在载荷作用下,抵抗弹性变形的能力。刚度的大小,取决于机件的几何形状和材料的弹性模量。在机件横截面积一定的情况下,机件的刚度就取决于材料的弹性模量。182.弹性极限金属材料在外力作用下,只发生弹性变形而不发生塑性变形时所能承受的最大应力,称为弹性极限。相当于e点所对应的应力值,用σe表示。物理意义:是弹性零件的失效抗力指标。19四、强度与强度指标1.强度:金属材料抵抗塑性变形或断裂的能力。2、屈服强度:拉伸试样发生屈服现象时,力所对应的点称为屈服点,对应的应力就是屈服强度。用符号σs(ReL)。σs=Fs/So式中:σs---屈服强度(MPa)Fs---试样屈服时的载荷(N)So---试样原始横截面积(mm2)20屈服强度的物理意义:材料开始产生明显塑性变形的最小应力,金属抵抗初始塑性变形的抗力。对于无明显屈服现象的材料,则用规定条件的屈服强度来表示,称为条件屈服强度,符号:σ0.2。213.抗拉强度是指试样在断裂前所能承受的最大应力。符号σb(Rm)表示。σb=Fb/SoRm=Fm/So式中:Fb---试样承受的最大载荷(N)So---试样原始横截面积(mm2)物理意义:是韧性材料抵抗大量均匀塑性变形的能力,是脆性材料的断裂强度。屈强比:屈服强度与抗拉强度的比值。屈强比越小,说明材料的塑性越好。合理范围是0.6-0.75。屈服强度和抗拉强度都是机械零件设计和选材的依据22五、塑性与塑性指标2.断后伸长率符号:δ或A指试样拉断后标距的伸长量与原标距长度的百分比。A=(L1-Lo)/Lox100%L1----试样拉断后的标距(mm)Lo----试样的原始标距(mm)1.塑性:金属材料断裂前产生塑性变形的能力。评定指标是断后伸长率和断面收缩率通过单向静拉伸试验测得233.断面收缩率符号:ψ或Z指试样拉断处横截面积的最大缩减量与原始横截面积的百分比。Z=(So-S1)/Sox100%式中:S1-试样拉断处的最小横截面积(mm2)So-试样的原始横截面积(mm2)24●根据δ和ψ的相对大小,可以判定材料塑性的高低。●δ和ψ越大,材料的塑性就越好。加工时:容易通过塑性加工,制成形状复杂的零构件;使用时:偶尔过载,能产生塑性变形增加承载能力,不至于突然发生断裂,比较安全。●金属的强度与塑性是一对相互矛盾的性能指标。通过细化金属的显微组织,可同时提高其强度与塑性。25【任务实施】1.首先,在使用中的应力抗拉强度,绳子就不会断;2.已知材料的屈服强度和屈强比,可以计算出抗拉强度;3.分别计算出两根绳子工作时所受的应力,做对比。任务分析:任务解答:抗拉强度=屈服强度/屈强比=1160/0.9=1289MPa直径1.2mm的钢丝绳工作时的应力:σ=F/S=(5×1000×9.8)/(π×1.2×1.2/4×24)=1806MPa1289直径2mm的钢丝绳工作时的应力:σ=F/S=(5×1000×9.8)/(π×2×2/4×20)=780MPa11601289可知:20股直径2mm的钢丝绳所受应力屈服强度抗拉强度,不仅不会断裂,也不会有明显塑性变形,比较合适。26综合训练1.解释名词(1)弹性极限(2)抗拉强度2.断后伸长率与断面收缩率在工程上有什么实际意义?27综合训练1.解释名词(1)弹性极限:材料只发生弹力变形时能承受的最大应力。(2)抗拉强度:材料断裂前承受的最大应力。2.断后伸长率与断面收缩率在工程上有什么实际意义?答:根据断后伸长率和断面收缩率的相对大小,可以判断材料拉伸时是否有缩颈,进而判断材料的塑性高低。断后伸长率断面收缩率,无缩颈,是低塑性材料;断后伸长率断面收缩率,有缩颈,高塑性材料。28第一章金属材料的性能第二节硬度29硬度:是衡量材料软硬程度的指标,表征材料在静载荷作用下抵抗局部变形的能力。提问:硬度越高,材料?压入法测试:用一定几何形状的压头,在一定载荷下,压入被测金属表面,根据被压入程度来测定其硬度值。常用的是:布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度。30一、布氏硬度实验1.实验原理HBW=F/S=载荷/压痕面积压头:硬质合金球用单位压痕面积的力作为布氏硬度值的计量,符号HB(W、S)311)表示方法:200HBW10/1000/30硬度值+硬度符号+试验条件试验条件含:压头类型、试验力、保持时间(当时间为10~15s不标出)2.布氏硬度规范322)试验规范:在本试验中,载荷F与压头直径D平方的比值(0.102F/D2)应是30、15、10、5、2.5、1中的一个。见表1-1.试验尺寸允许时,优先选用直径为10mm的球压头。在图样文件中,一般不规定试验条件,只需标出要求的硬度值范围和硬度符号,如200~230HBW。333)特点及适用范围优点:压痕面积大,能较好反应材料的平均硬度值,数据稳定,重复性好;缺点:测试麻烦,压痕较大,对材料表面的损伤较大,不适合测量成品件及薄件材料;适用:铸铁、非铁金属及退火、正火或调质处理后的钢材等,尤其适用软金属。343.布氏硬度试验过程1)试样:表面光滑,厚度至少为压痕深度的10倍。2)设备:HB-3000B型数显布氏硬度计。3)过程:放样品—加载荷—保持时间—去载荷—取下试样—读压痕直径—查硬度值。见21页35二、洛氏硬度实验HR=N-h/S1.实验原理:洛氏硬度是用压痕的深度表示洛氏硬度值的,符号HR:式中:N—常数,K=100(金刚石圆锥体压头),K=130(钢球压头)h—残余压痕深度(mm)S—常数,分别为0.001和0.00236采用不同的压头与总试验力,组合成15种不同的洛氏硬度标尺。洛氏硬度无单位,须标明硬度标尺符号,在符号前面写出硬度值.1)表示方法:58HRC表面硬度:70HR30TW2.洛氏硬度规范372)试验条件及应用范围:见表1-2和1-3。3)优点:测量迅速、简便;压痕较小,可测量成品件。缺点是精确性较低,硬度值重复性差、分散度大,通常需要在材料的不同部位测试三次,取其平均值来代表材料的硬度。各标尺之间没有对应关系。381)试样:表面粗糙度Ra≤0.8微米。2)设备:HR-150型洛氏硬度计3)过程:放样—加初始力—调表针—加主实验力—保持—读硬度值—多次重复,取平均值。3.洛氏硬度试验过程39练习题1.常用的三种硬度测试方法是?2.简述布氏硬度的原理。40思考题1.布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度。2.简述布氏硬度的原理。答:单位压痕面积上的平均压力。41维氏硬度也是以单位压痕面积的力作为硬度值计量。三、维氏硬度实验1.实验原理压头:136°金刚石四棱椎体符号:HVHV=F/S=0.189F/d2式中,d—压痕两对角线的平均长度(mm)421)表示方法:640HV30/20在符号HV前方标出硬度值,在HV后面按试验力大小和试验力保持时间(10~15s不标出)的顺序用数字表示试验条件。2)优点:压痕浅,适用范围宽,尤其适合测量表面处理过的零件,只用一种标尺,可以直接通过维氏硬度比较材料硬度的大小。缺点:对试样表面要求高,测量麻烦,不适合大批次的测试。2.维氏硬度规范431)试样:表面粗糙度、厚度2)设备:维氏硬度计3)过程:放样品—加载荷—保持时间—去载荷—读压痕对角线长度—查硬度值(与布氏硬度的测量过程类似)3.维氏硬度试验过程44硬度小结(1)符号压头表示方法布氏硬度HBW硬质合金球200HBW10/1000/30洛氏硬度HR钢球,或120°金刚石圆锥体50HRC70HR30TW维氏硬度HV136°正四棱椎体金刚石640HV30/2045符号优缺点适用范围布氏硬度HBW测量麻烦结果准确损害表面铸铁、非铁金属及退火、正火或调质后的钢材。主要是半成品或毛坯洛氏硬度HR测量简单精度较低不伤工件淬火、回火钢件主要是成品件。维氏硬度HV测量麻烦精确可靠效率低下薄件渗碳、渗氮等表面硬化层硬度小结(2)46综合训练1.下列零件和材料,用何种方式测量为好:A:淬火钢B:仪表小黄铜齿轮C:渗碳工件的表面硬度2.有甲、乙两个工件,甲工件的硬度是230HBW,乙工件的硬度是34HRC,是否说明甲比乙硬度高?471.下列零件和材料,用何种方式测量为好:A:淬火钢HRCB:仪表小黄铜齿轮HBWC:渗碳工件的表面硬度HV2.有甲、乙两个工件,甲工件的硬度是230HBS,乙工件的硬度是34HRC,是否说明甲比乙硬度高?答:不是。不同硬度之间不能直接比较,需换成同一种硬度和标尺。48第一章第3节冲击韧性与疲劳极限49一、冲击韧性50建造中的船体51Titanic号是由10张30英尺长的高含硫量钢板焊接成300英尺的船体。当船撞击冰山时,船体上这些长长的焊缝无异于一条30